studi komparasi konversi modulus young dinamik ke statik pada

Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
ISSN: 2407-2311
STUDI KOMPARASI KONVERSI MODULUS YOUNG
DINAMIK KE STATIK PADA BATUPASIR DAN
BATUGAMPING
Mochammad Ahied
Program Studi Pendidikan IPA, Universitas Trunojoyo Madura
Jl. Raya Telang Po Box 2 Kamal 69162
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
Pengukuran dinamik untuk mendapatkan konstanta elastik dihubungkan dengan besaran petrofisika
utamanya porositas dan saturasi air sangat penting untuk penerapan penyebaran adanya reservoar.
Sedangkan pengukuran statik biasanya dilakukan juga di dunia Migas untuk mendapatkan
parameter mekanika batuan seperti, modulus Young, modulus onggok (bulk) dan nisbah Poisson,
sehingga perlu dilakukan mendapatkan hubungan keduanya untuk mendapatkan secara langsung.
Dari pengukuran dinamik dan statik pada penelitian ini dibuat model hubungan konstanta elastik
pada modulus Young (E) dengan porositas terhadap batupasir dan batugamping yang tersaturasi
secara penuh (Sw = 100%). Sehingga dengan diketahuinya satu konstanta elastik modulus Young
dari pengukuran dinamik saja, maka dapat ditentukan pula semua konstanta elastik pada pengukuran
statik tanpa mengukurnya.
Kata Kunci : Mekanika batuan, modulus young, porositas, dan saturasi.
ABSTRACT
Dynamic measurements to obtain the elastic constants associated with the amount of the main
petrophysical porosity and water saturation is essential for the implementation of the deployment of
the reservoir. While static measurements usually performed well in the world of oil and gas to
obtain parameters such as rock mechanics, Young's modulus, bulk modulus and the Poisson ratio,
so it is necessary to obtain the relationship of both to obtain directly. Of dynamic and static
measurements in this study modeled the relationship elastic constants Young's modulus (E) with a
porosity of the sandstones and limes tones fully saturated (Sw = 100%). So by knowing the elastic
constants Young's modulus of dynamic measurements alone, it can be determined also all elastic
constants on static measurements without measuring it.
Keywords: rock mechanics, Young's modulus, porosity and saturation.
83
Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
ISSN: 2407-2311
membantu dalam pemilihan bit yang
tepat.
Parameter mekanik batuan yang
diperlukan tersebut seperti kuat tekan (τc),
nisbah Poisson (ν), modulus young (E),
disamping parameter sifat mekanik yang
lain umumnya diperoleh dari uji kompresi
triaksial atas batuan perconto atau
pengukuran statik. Modulus young (E)
adalah parameter mekanik yang kerap
dipakai dalam aplikasi perekahan
hidraulik (hidrautic fracturing) sedangkan
nisbah Poisson (ν) sering digunakan untuk
mengestimasi gradien tekanan rekah (Fr).
Namun pengukuran statik tersebut tidak
banyak
dilakukan
karena
hanya
mengkonsentrasikan pada deformasi,
kekuatan
batuan
(strength),
dan
keruntuhan batuan utuh (failure of intact
rock) (Hudson dan Harrison), 1997) dan
oleh karena itu maka data statik tersebut,
pada umumnya, masih kurang tersedia di
lapangan. Data-data elastik diperoleh
berdasarkan kelakuan kurva tegangan
(stress) – regangan (strain) dari batuan.
Alternatif lain adalah dengan
melakukan pengujian dinamis yaitu
melalui uji akustik baik di laboratorium,
survei seismik, maupun log akustik,
secara umum dapat diperoleh secara luas.
Permasalahannya adalah survei dinamik
sering dianggap tidak representatif dan
tidak menunjukkan perilaku elastik batuan
yang sesungguhnya. Untuk ini survei
statik tetap dianggap terbaik. Dengan
bertolak dari kenyataan diatas maka perlu
untuk mencari hubungan statik-dinamik.
Pendahuluan
Dalam
dua dekade terakhir,
banyak
usaha
dilakukan
untuk
meningkatkan penggunaan data seismik
untuk estimasi minyak bumi dan gas
(migas). Secara umum para ahli
mengukur dan menghasilkan waktu
penjalaran gelombang seismik (travel
time) dan impedansi akustik yang
kemudian dapat mencerminkan litologi
batuan (Munadi, 2000). Syarat yang harus
dipenuhi oleh suatu batuan reservoar
adalah harus mempunyai kemampuan
untuk menampung dan mengalirkan fluida
yang terkandung didalamnya. Dan hal ini
dinyatakan dalam parameter petrofisika.
Perkembangan
selanjutnya
memperlihatkan usaha dikembangkannya
cara untuk mengekstraksi data seismik
lebih jauh guna mendapatkan parameterparameter petrofisika dari reservoar migas
yang dalam hal ini disebut petrofisika
seismik (Munadi, 2000). Besaran
petrofisika yang dimaksud disini adalah
porositas dan saturasi fluida reservoar
dengan menggunakan model hubungan
antara besaran elastik nisbah poisson dan
impedansi akustik (Saptono, 2001).
Porositas batupasir dan batugamping
bagian penting dari geologi karena dalam
batuan jenis ini sebagai media
hidrokarbon.
Jenis data lain yang semakin
dirasakan pentingnya dalam dunia
perminyakan dan gas adalah data
mekanika batuan. Khususnya aplikasi
dalam perekahan hidraulik (hidrautic
fracturing) dan aplikasi dalam operasi
pemboran (Hartawan, 2001). Perekahan
hidraulik (hidrautic fracturing) gunanya
untuk merekahkan atau meluaskan
rekahan pada batuan reservoar sehingga
menambah laju minyak di sumur.
Aplikasi dalam operasi pemboran
Metode Penelitian
Metodologi penelitian terdiri dari
tahap-tahap untuk mempelajari tentang
mekanika batuan, yang terdiri dari
pengukuran dinamik (acoustic test) dan
statik (uji kompresi triaksial) serta
memahami keterkaitan dari penjalaran
84
Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
gelombang dilatasi tp dan
ts dari
pengukuran dinamik (acoustic test)
terhadap konstanta elastisitas dan
hubungannya dengan statik (uji kompresi
triaksial). Adapun bagan alir dari metode
penelitian dapat dilihat pada Gambar 1.
Untuk mendapatkan pemahaman
tentang keterkaitan data pengukuran
dinamik dan statik dari batupasir dan
batugamping, maka ditempuh langkahlangkah sebagai berikut:
ISSN: 2407-2311
Pembuatan plot silang antara lain,
Ed (dari pengukuran dinamik) vs porositas
(ϕ) yang tersaturasi air secara penuh (Sw =
100%), Es (dari pengukuran dinamik) vs
porositas (ϕ) yang tersaturasi air secara
penuh (Sw = 100%), sesuai porositas
masing-masing. Sehingga nanti didapat
konversi modulus Young dari pengukuran
statik-dinamik dan sebaliknya.
Mekanika
batuan
Dinami
k
Statik
Dry Core
Dry Core
Routine
Measurement
Routine
Measurement
L, , D, σ3, etc.
L, k, D, ρ, ϕ, etc.
Acoustik Velocity
test
Uji Triaksial Test
tp, ts, E, K, μ,ν, vp, vs, , ϕ,
etc
F, dL, t, K, σ1, εa, ν, etc
Saturasi air
E, UCS, ν, etc
Sw =
1
N
o
Saturasi air
N
o
Yes
Plot silang antara pengukuran akustik
dan uji triaksial
Gambar 1. Bagan alir metodologi penelitian
85
Sw =
1
Yes
Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
ISSN: 2407-2311
Hasil Penelitian dan Pembahasan
60
Porositas, %
Sesuai tujuan penulisan ini untuk
mendapatkan model dengan hanya
didapat satu pengukuran dinamik maka
didapat semua konstanta elastik statik,
model terlihat bagus. Gambar 2. Pada
porositas tertentu dengan ditarik garis
horisontal dari porositas dan ditarik
vertikal ke bawah didapat Edinamik dan
ditarik ke atas didapat Estatik batugamping
tersaturasi air secara penuh (Sw=100%)
dengan Poverburden = 1000 Psia dengan
validitasnya
terhadap
pengukuran
laboratorium
50
40
30
Lab.φ=26
%
20
Lab. φ =
17%
10
0
5,8
6
6,2 6,4 6,6 6,8
7
7,2 7,4 7,6
Kdinamik, Mpa
Gambar 3. Hubungan modulus onggok
dinamik, statik porositas
batugamping Sw=100% pada
Poverburden =1000 Psia.
50
500
40
465
30
20
10
Estatik, Mpa
Porositas, %
60
Lab.=26%
Lab.=17%
0
220002350025000265002800029500310003250034000
430
0.40
395
0.43
nisbah
Poisson
0.37
0.34
0.32
360
325
290
255
Edinamik, MPa
0
200
400
600
800
1000 1200
Kstatik, Mpa
Gambar.2. Hubungan modulus Young
Gambar. 4. Hubungan modulus Young statik,
dinamik, statik dengan porositas
batugamping Sw=100% pada
modulus onggok statik dengan
Poverburden =1000 Psia.
Porositas batupasir Sw =100%
pada Poverburden = 1000 Psia.
Hubungan porositas dengan Kstatik
Dengan adanya konstanta elastik
modulus onggok (K) dan modulus young
(E), maka didapat nisbah poisson Gambar
4. didapat hubungan Estatik dengan Kstatik
dan poisson, Gambar.5. didapat Estatik ,
Kstatik dengan porositas terlihat bahwa
dan Kdinamik Gambar 3. dengan validasi
Φ= 26% dan Φ= 17% dari laboratorium.
86
Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
semakin besar Kstatik terdapat jarak yang
semakin besar ke Poisson dan Estatik
this is not to say that there will not be
experimental error.
Penjalaran
gelombang
pengukuran statik dan dinamik adalah
fundamental pada hubungan stress-strain
dari batuan, pada kenyataannya tidak
hanya perbedaan amplitudo strain,
dispersi, dan atenuasi tapi disebabkan
oleh: kecepatan batuan dalam keadaan
kering tidak terpengaruh frekuensi.
Frekuensi yang dipakai dalam saturasi
meminimalkan efek hamburan pada
frekuensi tinggi.
Pengukuran
dinamik
(pengukuran akustik) dalam penelitian ini
dipakai frekuensi 400 kHz untuk
gelombang kompresi dan 150 kHz untuk
gelombang shear. Gelombang akustik
frekuensi tinggi (ultrasonik) cenderung
mengalami atenuasi oleh faktor-faktor
non geometrik seperti osilasi fasa fluida
dan padatan yang tidak sempurna,
Johnston dkk, 1979 dikutip dari Saptono,
2000 sehingga akan memperlambat Vp.
Di frekuensi rendah cukup waktu
untuk aliran terjadi selama putaran
gelombang tekanan fluida akan seimbang
dan batuan akan relaks sedangkan pada
frekuensi tinggi tidak cukup waktu untuk
aliran terjadi sehingga batuan tidak relaks
di tempatnya pengaruhnya batuan akan
lebih kaku pada frekuensi tinggi dan
kecepatan gelombang akan lebih tinggi.
Pengaruh pori dan struktur
microcracks konfigurasi pori dan struktur
mikrocracks berdampak pada nilai statik
dan banyak juga dalam pengukuran
dinamik. Kecepatan gelombang dari
penjalaran akustik kurang dipengaruhi
oleh mikrocracks di conto batuan lain
daripada strain disebabkan statik stress,
Ide, 1936 karena dianggap energi akustik
melewati banyak cracks, biasanya paralel
dengan arah penjalaran. Sedangkan pada
pengukuran statik berhubungan pula
dengan menutpnya cracks, Wals, 1965.
0,50
nisbah Poisson
0,40
Estatik,
MPa
385
0,30
410
360
335
310
0,20
0,10
0,00
200
350
500
650
800
950
1100
Kstatik, MPa
Gambar 5. Hubungan modulus Young statik,
modulus onggok statik
ISSN: 2407-2311
Porositas
batugamping Sw =100% pada
Poverburden= 1000 Psia.
Perbedaan pengukuran dinamik
dan statik, secara laboratorium hasil dari
pengukuran dinamik dan statik pada
batuan pasir terdapat perbedaan. Adapun
faktor-faktor
yang
membedakan
dipengaruhi antara lain oleh: Prosedur
eksperimen, antara statik dan dinamik,
misalnya pada mulanya sangat kontras
perbandingan modulus elasik dinamik
dengan secant dan statik dengan tangen.
Ternyata dari waktu ke waktu ditemukan
bahwa koreksi untuk panjang pada conto
batuan lebih dapat dipertanggung
jawabkan.
Dalam penelitian ini ternyata
pengukuran statik masih bisa dilakukan
sampai 1000 psia sedangkan pada
dinamik sampai 5000 psia. Dan koreksi
panjang
memang
masih
belum
diperhatikan benar karena pengukuran
dinamik telah dilakukan sedangkan
pengukuran statik dalam tahap belajar but
87
Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
Karenanya pengaruh mikrocracks dan
pori menghasilkan perbedaan antara E
dinamik dan E statik.
Pengaruh confining pressure,
pada tekanan rendah sampai tidak adanya
confining pressure, gelombang akustik
dipengaruhi struktur cracks dan porositas.
Semakin besar kecepatan akan melewati
rekahan dan kecepatan tidak cukup kuat
untuk dipengaruhi.
Pada tekanan rendah sampai tidak
adanya confining pressure, pembebanan
statik (loading static) menjadikan
menutupnya cracks sehingga akan
mengecilkan kekakuan. Dengan adanya
confinig pressure, modulus dinamik akan
meningkat dengan menutupnya cracks.
Pengaruh saturasi, jika cracks disi
fluida sekecil apapun akan mempengaruhi
modulus. Dalam pengukuran dinamik
kecepatan akan semakin besar seperti
dibahas sebelumnya sedangkan dalam
pengukuran
statik
tidak
begitu
berpengaruh tergantung apakah medium
dapat mengalir atau tidak. Pengukuran
statik tergantung difusi dan pembebanan
(loading).
ISSN: 2407-2311
begitu
saja
banyak
mikrocracks
sedangkan pada statik berpengaruh pada
saat
menutupnya
mikrocracks
mengecilkan modulus.
Saran, Untuk penelitian lebih
lanjut mungkin perlu dicoba dengan
meningkatkan tekanan overburden diatas
1000 Psia Memperbanyak sampel
terutama yang dalam keadaan kering
sehingga bisa dipasang strain gauge
untuk mendapat nilai nisbah Poisson .
Daftar Pustaka
Anonim, Petunjuk
Penggunaan
Alat
“ Triaksial
Compressive
Strenght
Tester”, Laboratorium Teknik
Pemboran, Jurusan Teknik
Perminyakan, ITB, 2000.
Dodi Hartawan, Pengolahan Data Uji
Kekuatan Batuan dan Desain
Alat Uji Triaksial, Tugas
Akhir,
Jurusan
Teknik
Perminyakan ITB, Bandung,
2001.
Simpulan dan Saran
Fakhriyadi Saptono, Pemodelan Sifat
Elastik dan Petrofisika Batuan
untuk Penentuan Porositas dan
Saturasi
Fluida
dengan
Bantuan Data Seismik, Tesis
Program Pascasarjana Bidang
Sains dan Matematika, Studi
Ilmu
Fisika,
Kekhususan
Geofisika, UI, Jakarta, 2001.
Hudson, J
dan Harrison, J,
Engineering Rock Mechanics,
Pergamon, 1997.
Simpulan, Dengan dibuatnya
pemodelan maka dengan hanya satu data
dinamik (Edinamik) dapat ditentukan data
statik seperti Estatik, Kstatik, dan nisbah
Poisson pada batugamping tersaturasi air
secara penuh (Sw =100%). Modulus
Young (E) dinamik lebih besar daripada
modulus Young (E) statik sama seperti
penelitian terdahulu, sedangkan modulus
onggok (K) dinamik lebih kecil daripada
modulus onggok (K) statik sedangkan
pada penelitian terdahulu dahulu lebih
besar.
Kecepatan
gelombang
dari
penjalaran akustik kurang dipengaruhi
mikrocracks, energi akustik melewati
J.P. Schőn, Physical properties of
Rocks
Fundamental
and
88
Jurnal Pena Sains Vol. 2, No. 2, Oktober 2015
Principles of Petrophysics,
Vol.18,
Handbook
of
geophysical exploration, 1999.
Milton B. Dobrin dan Carl H. Savit,
Geophysical
Prospecting,
McGraw-Hill,
Singapura,
1988.
Sugeng Riyono, Pengukuran Statik
dan Dinamik, Bahan Kursus
Internal di Lingkungan KPRY
Eksploitasi,
PPPTMGB
Lemigas, Jakarta, 2002.
Suprayitno Munadi, Aspek Fisis
Seismologi
Eksplorasi,
Program
studi
Geofisika,
FMIPA-UI, Depok, 2000.
89
ISSN: 2407-2311